關(guān)于水電站水輪機(jī)制造新工藝的探討

李鑫

摘 要：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水利樞紐中水輪機(jī)的核心運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，其質(zhì)量的好壞和加工技術(shù)水平的高低直接影響水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效能，文章將對我國水電站中水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的特點以及其施工工藝進(jìn)行系統(tǒng)論述，主要以三峽水電站作為論述實例，以求能引領(lǐng)水輪機(jī)鑄造工藝的新潮流。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)特點；鑄造工藝；海岸工廠

前言

我國在近些年的水利工程建設(shè)過程中取得了舉世矚目的成就，各種規(guī)模的水利發(fā)電樞紐應(yīng)運(yùn)而生，但在水電站不斷完善和建設(shè)的過程中，還存在一些制約著水利工程發(fā)展的瓶頸，例如一些水電站所使用的設(shè)備中大部分還都是上世紀(jì)水利工程發(fā)展初期留下來的老舊設(shè)備，這些設(shè)備不僅能耗高，技術(shù)含量低，而且已經(jīng)不適用于當(dāng)今的行業(yè)發(fā)展特點，其生產(chǎn)效率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上先進(jìn)的生產(chǎn)發(fā)展模式，此外，在使用過程中，老舊設(shè)備還存在較大的安全隱患，許多設(shè)備帶病運(yùn)轉(zhuǎn)，無法保證生產(chǎn)的效能。為此，對水電站中的關(guān)鍵設(shè)備水輪機(jī)進(jìn)行徹底的技術(shù)改進(jìn)和鑄造工藝的改造是刻不容緩的。在此過程中，不乏有較為先進(jìn)的工藝改造實例，其中，三峽水電站就是十分值得人們借鑒和參考的實例之一。

1 三峽水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的特性

轉(zhuǎn)輪的鑄造工藝改良是水輪機(jī)設(shè)備改進(jìn)的重中之重，這是由轉(zhuǎn)輪的核心位置所決定的。三峽水電站所使用的轉(zhuǎn)輪是目前我國最為先進(jìn)的轉(zhuǎn)輪設(shè)備，較傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪部件相比，其具有如下幾方面優(yōu)勢：其一，轉(zhuǎn)輪的整體結(jié)構(gòu)由不銹鋼作為原材料進(jìn)行生產(chǎn)制作，而且整個部件呈現(xiàn)整體制作結(jié)構(gòu)，密閉性高，能夠有效防止?jié)B漏現(xiàn)象的發(fā)生；其二，轉(zhuǎn)輪的葉片設(shè)計更加科學(xué)，其葉片較長也更具流線型，葉片重量較大，使其運(yùn)行更為穩(wěn)定，而且該種葉片設(shè)計能夠有效平衡水流的速度的壓力，降低對機(jī)體的沖擊作用；其三，獨(dú)特的泄水錐設(shè)計進(jìn)一步降低水流的壓力和沖擊力，而且其設(shè)計與機(jī)體主體融為一體，不會發(fā)生松動脫落現(xiàn)象，延長了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的使用壽命。

2 三峽水輪機(jī)的主要技術(shù)構(gòu)成

我國三峽水輪機(jī)組是目前世界上最大也最為先進(jìn)的水輪機(jī)系統(tǒng)，由于其防洪和發(fā)電的需要，使得其水輪機(jī)組必須具有強(qiáng)大的功能優(yōu)勢。轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)運(yùn)行的核心部件，其質(zhì)量好壞關(guān)乎于水輪機(jī)組能否正常發(fā)揮其功效。三峽水電站水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)輪材料都是使用不銹鋼作為原料，因此，具有極強(qiáng)的抗腐蝕能力，與此同時，其轉(zhuǎn)輪的運(yùn)轉(zhuǎn)效能也是衡量其質(zhì)量的一項重要指標(biāo)，三峽轉(zhuǎn)輪的的重量較大，輸出的額定功率也達(dá)到了710MW，其轉(zhuǎn)輪的葉片也較長，這些因素都決定了該水輪機(jī)組具有絕對的功能優(yōu)勢。

2.1 總體鑄造工藝技術(shù)概述

三峽轉(zhuǎn)輪在整體鑄造過程中具有相當(dāng)大的難度，對技術(shù)水平和鑄造工藝也有非常高的要求。首先，由于其轉(zhuǎn)輪的質(zhì)量和葉片的尺寸都較為龐大，因此，對于部件在加工中的運(yùn)輸和安裝環(huán)節(jié)提出了一大難題；其次，由于要保證轉(zhuǎn)輪達(dá)到最佳的密封性能和運(yùn)轉(zhuǎn)效果，各部件之間的焊接的環(huán)節(jié)就顯得尤為重要；在此，轉(zhuǎn)輪的葉片形狀不同于以往傳統(tǒng)的水輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)，所以對葉片的材料選擇和制造工藝環(huán)節(jié)也提出了新的挑戰(zhàn)。另外，在轉(zhuǎn)輪成型和加工環(huán)節(jié)，對于工藝施工的標(biāo)準(zhǔn)也十分嚴(yán)格。

2.2 葉片成型技術(shù)工藝

三峽轉(zhuǎn)輪的葉片形狀和質(zhì)量較為特殊，所以其在鑄造過程中需要使用特殊的工藝進(jìn)行成型處理。壓模成型工藝被廣泛應(yīng)用與此，該種新型成型工藝具有其他工藝所無可比擬的優(yōu)勢：其一，壓模成型工藝所生產(chǎn)出的成品質(zhì)量高，且密閉性能好，不易出現(xiàn)裂縫等瑕疵；其二，成品形狀控制精確，誤差較小，并符合對于葉片的流線型需要；其三，可以根據(jù)需要調(diào)整厚度，其薄厚變化區(qū)間幅度較廣，可以滿足不同鑄造需求；其四，經(jīng)濟(jì)性高，在鑄造過程中不產(chǎn)生多余鑄造流程的花費(fèi)；同時還有利于后續(xù)焊接操作工藝的進(jìn)行。

2.3 選擇鑄造成型工藝的優(yōu)點

上述壓模工藝是較為新型的一種成型工藝，在鑄造過程中，除了采用新型壓模工藝之外，還可以通過對傳統(tǒng)鑄造工藝進(jìn)行加工和改良來達(dá)到現(xiàn)代鑄造生產(chǎn)需要。傳統(tǒng)鑄造工藝可以通過以下技術(shù)方法進(jìn)行改良，使之跟上現(xiàn)代化生產(chǎn)步伐。首先，可以在鑄造過程中融入新型計算機(jī)操控系統(tǒng)，實現(xiàn)鑄造流程的自動化智能化控制，以提高鑄造質(zhì)量；其次，采用新型鑄造技術(shù)操作方法，提高鑄造精確度；再次，提高鑄造的效率，縮短鑄造之間；最后，要提高鑄造工藝水平，使鑄造出的葉片質(zhì)量和薄厚均勻，符合使用標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 運(yùn)用數(shù)控加工工藝

在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪鑄造中融入數(shù)控加工技術(shù)不失為鑄造技術(shù)發(fā)展到一個新階段的里程碑。數(shù)控加工工藝可以大幅提高葉片加工的精準(zhǔn)性，保證加工的質(zhì)量，降低加工的誤差，實現(xiàn)了加工控制的自動化。對于混流式水輪機(jī)而言，轉(zhuǎn)輪葉片沒有任何基準(zhǔn)的自由曲面，葉片的上冠邊和下環(huán)邊坡口空間扭曲較大，坡口角度也不對稱，在數(shù)控加工軟件編程方面有很大難度，在防止正面和背面錯位，提高加工效率等方面也存在相當(dāng)大的困難。在開發(fā)和應(yīng)用數(shù)控加工新工藝的10多年歷程中，我公司解決了曲線設(shè)計、復(fù)雜曲面擬合、邊界模型建立、四個層次造型功能、刀具與曲面間的干涉修正、刀具最佳選擇、多曲面邊界對刀具運(yùn)動的約束等課題。

2.5 焊接新方式

至今為止，轉(zhuǎn)輪葉片的機(jī)器人自動焊接還從未在真機(jī)上應(yīng)用過。三峽轉(zhuǎn)輪采用這項新工藝在國際上也是首次。應(yīng)用機(jī)器人取代手工焊接的優(yōu)點是：速度快、質(zhì)量好、效率高，而且不受人為因素影響。機(jī)器人自動焊接設(shè)備包括具有轉(zhuǎn)位和項起功能的變位機(jī)、埋弧焊機(jī)器人及相應(yīng)軟件等。其軟件可對六個軸進(jìn)行編程，能對焊槍位置和狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確控制。焊接參數(shù)設(shè)置于焊接程序控制器中。為顯示焊接編程路徑，提供了兩個編程座標(biāo)平面的圖形界面，焊接時采用單極雙實心焊絲。為了控制焊接變形，采用2臺機(jī)器人在轉(zhuǎn)輪上相隔180度對稱分布的2片葉片上同時施焊。

3 部件的安裝和調(diào)轉(zhuǎn)

大型轉(zhuǎn)輪的起吊和翻身歷來是老大難課題。它要求這項操作保證不損傷工作。然而像三峽轉(zhuǎn)輪這樣巨大的工件，在起吊并實現(xiàn)翻身這類大回轉(zhuǎn)動作中保證不變形也是相當(dāng)困難的。過去對巖灘、五強(qiáng)溪等大型轉(zhuǎn)輪，是采用在轉(zhuǎn)輪下環(huán)上接近重心位置處焊上大吊耳，再放到翻身架上進(jìn)行翻身的方法。然而對于可靠性要求特高的三峽轉(zhuǎn)輪就不允許這樣做，以免引起對工件材質(zhì)和形狀的影響。所以采用一種加裝工藝性中心軸的新方法，該中心軸裝在上冠內(nèi)，通過與吊梁連接便可實現(xiàn)起吊。通過中心軸并在翻身支架上更換連桿使其實現(xiàn)翻身。這種新工藝的最大特點是保證不損傷工件。

4 海岸工廠

三峽轉(zhuǎn)輪尺寸早已超過陸路運(yùn)輸中的橋梁、隧道等限制。過去對于超大轉(zhuǎn)輪往往采用分半結(jié)構(gòu)，待運(yùn)到工地后再組焊成圓。這種工藝方案雖然解決了運(yùn)輸限制問題，但需在電站工地進(jìn)行組裝、焊接、加工、熱處理等，并需配備相應(yīng)工藝裝備及設(shè)備，難度很大。為了解決這個問題，早在1990年就在渤海之濱的葫蘆島上建成并投產(chǎn)了東北濱海水電設(shè)備大件加工廠，三峽轉(zhuǎn)輪可在此完工后直接裝船通過海上和長江運(yùn)往電站工地。這個岸邊工廠由我公司與渤海造船廠合資興建，廠房長160m，寬高各36m，設(shè)有320t吊車2臺，+16m負(fù)重550t立車1臺，+250鏜床l臺，+12.5m、高7m的鐘罩式退火爐，大型焊接變位機(jī)、窄間隙焊機(jī)等。除公司承擔(dān)的2臺三峽轉(zhuǎn)輪而外，挪威克瓦納承擔(dān)的3臺轉(zhuǎn)輪也將在這個海岸工廠制造，法國阿爾斯通承擔(dān)的3臺轉(zhuǎn)輪也有可能在此制造。除了三峽機(jī)組首批中標(biāo)的14臺外，今后還有后續(xù)的1 2臺三峽機(jī)組以及地下廠房追加的6臺機(jī)組，以及將來規(guī)劃中的龍灘7×600MW、小灣6×700唧、溪洛渡18×700姍等大型水電機(jī)組，這些機(jī)組的大型轉(zhuǎn)輪都可以充分利用海岸工廠提供的優(yōu)越條件。

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